隧道抽排水室内试验系统及其试验方法与流程

1.本发明涉及隧道检测技术领域，具体涉及一种隧道抽排水室内试验系统及其试验方法。


背景技术：

2.隧道建设一般包括公路、铁路、水利、电力等的隧道建设工程，当隧道在富水区域(水量较大区域)中施工中时，由于隧道开挖后地下水量大，因此顺坡排水的隧道施工相对难度小，但在需要长距离反坡排水施工的隧道施工场合，施工难度就会大大增加。在一些隧道的建设中，有的采用设置斜井的方式“长隧短打”，例如秀宁隧道、中天山隧道等就在施工时采用了这种方式，而此种在使用此种方式时，一旦地下水发育，隧道施工的排水压力十分巨大。与此同时，反坡施工突涌水灾害也一直是隧道建设的难点问题，特别是随着我国交通建设环境向地形地质条件极为复杂的西部山区转移，长距离反坡施工及相关排水作业成为重大技术挑战和难题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种隧道抽排水室内试验系统及其试验方法，以解决现有的长距离反坡施工及相关排水作业困难的问题。
4.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
5.本发明提供一种隧道抽排水室内试验系统，所述隧道抽排水室内试验系统包括多个集水池、排水检测装置和移动升降装置，多个所述集水池相互之间均设置有所述排水检测装置，以使水流能够在多个所述集水池之间流动，多个所述集水池至少包括掌子面集水池、中间集水池和隧道出口集水池，所述中间集水池和所述隧道出口集水池的下方均对应设置有所述移动升降装置。
6.可选择地，所述排水检测装置包括多条排水管和多个流量计，多条所述流量计和多个所述排水管一一对应。
7.可选择地，所述隧道排水室内试验系统还包括多个增压装置，多个所述增压装置设置于多个所述集水池中。
8.可选择地，多个所述增压装置包括水泵和抽水管，所述水泵与所述抽水管一一对应。
9.可选择地，所述隧道排水室内试验系统包括循环池，所述循环池和多个所述集水池之间也通过所述排水检测装置连接。
10.可选择地，所述移动升降装置包括液压千斤顶和轮滑组，所述轮滑组用于支撑所述液压千斤顶。
11.本发明还提供一种基于上述的隧道抽排水室内试验系统的试验方法，所述试验方法包括：
12.s1：搭建所述隧道抽排水室内试验系统，得到当前试验系统中的原始系统配置；
13.s2：根据所述当前试验系统中的原始系统配置，得到当前试验系统中掌子面的涌水量以及所述排水检测装置单位长度的涌水量；
14.s3：根据当前试验系统中掌子面的涌水量以及所述排水检测装置单位长度的涌水量，得到当前的所述隧道抽排水室内试验系统的工况结果；
15.s4：更改所述隧道抽排水室内试验系统的系统配置，重复步骤s2-s3，得到多个不同的工况结果，结束检测；
16.s5：对多个工况结果进行分析，得到预设工况范围内的最优隧道抽排水室内试验系统配置信息。
17.可选择地，所述步骤s4中，更改所述隧道抽排水室内试验系统的系统配置包括：
18.s41：更改多个所述集水池之间的距离，保持原始系统配置中不同所述集水池的高度，得到第一工况结果；
19.s42：更改不同所述集水池的高度，保持原始系统配置中多个所述集水池之间的距离，得到第二工况结果；
20.s43：更改水泵的功率和扬程大小，保持原始系统配置中其他参数不变，得到第三工况结果；
21.s44：更改水流过程中各处水流量的大小，保持原始系统配置中其他参数不变，得到第四工况结果。
22.本发明具有以下有益效果：
23.1、完成了场地的转换，由施工现场转换到了室内，便于研究；
24.2、影响因素可控，便于定量定性分析单一变量，多重变量之间的相互影响等；
25.3、成本低，室内成本较低，但却较好的模拟了实际工况，为隧道现场超长深埋的隧道抽排水系统的设计优化提供可靠的支撑。
附图说明
26.图1为本发明实施例所提供的隧道抽排水室内试验系统的平面图；
27.图2为本发明实施例所提供的隧道抽排水室内试验系统的立体图；
28.图3为本发明实施例所提供的隧道抽排水室内试验系统的试验方法的流程图；
29.图4为图3中步骤s4的分步骤流程图。
30.附图标记说明
31.1-掌子面集水池；2-中间集水池；3-隧道出口集水池；4-液压千斤顶；5-轮滑组；6-循环池；7-流量计；8-排水管；9-水泵；10-抽水管。
具体实施方式
32.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
33.实施例
34.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
35.首先对本发明的系统配置进行说明：
36.按照集水池和增压点的位置以及流量的来源，可以将隧道内的集水池分为三大
类：
37.1.掌子面集水池1(v1)：该集水池为靠近掌子面最近的集水池。掌子面的涌水qf将排放到该池内，另外该集水池也将收集后端距离l范围隧道的涌水
38.2.中间集水池2(vi)：该类型集水池除了要收集该池子后段的流量之外还需要接收靠近掌子面方向前一段集水池泵来的水
39.3.隧道出口集水池3(v3)：该集水池需要接受上一个池子的流量但不需要接收后一段围岩的渗透量。
40.一套完整的试验设备来模拟整个隧道的排水过程，需要至少3个集水池。在本次试验中，可以通过增加中间集水池2的数量，以对更长距离的排水作业做以模拟。
41.本发明提供一种隧道抽排水室内试验系统，所述隧道抽排水室内试验系统包括多个集水池、排水检测装置和移动升降装置，多个所述集水池相互之间均设置有所述排水检测装置，以使水流能够在多个所述集水池之间流动，多个所述集水池至少包括掌子面集水池1、中间集水池2和隧道出口集水池3，所述中间集水池2和所述隧道出口集水池3的下方均对应设置有所述移动升降装置。
42.本发明具有以下有益效果：
43.1、完成了场地的转换，由施工现场转换到了室内，便于研究；
44.2、影响因素可控，便于定量定性分析单一变量，多重变量之间的相互影响等；
45.3、成本低，室内成本较低，但却较好的模拟了实际工况，为隧道现场超长深埋的隧道抽排水系统的的设计优化提供可靠的支撑。
46.可选择地，为了使得掌子面集水池1的水流能够顺利到达其他集水池，因此设计所述排水检测装置包括多条排水管和多个流量计，多条所述流量计和多个所述排水管一一对应。通过多个排水管的存在，能够将掌子面集水池1中的水流引入至其他集水池中，其中，流量计用于检测控制多个集水池中水流的输入流量和/或输出流量。当然，这里对于排水管材料和流量计的规格不做具体限定，例如在一些实施例中，采用排水管为pvc管，多个流量计只要确保规格相同即可，以确保在整个试验系统中获取到的数据一致。
47.具体地，参考图2所示，在排水管8a的出水端安装流量计7a用以监测掌子面集水池1的涌水量。
48.在排水管8b的出水端安装流量计7b用以监测修正掌子面后端与上一集水池之间的涌水量。
49.在抽水管10a的出水端安装流量计7c用以监测掌子面集水池1输入到中间集水池2的水量，另一端安装水泵9a以将掌子面集水池1的水抽到中间集水池2中。
50.在排水管8c的出水端安装流量计7d用以监测中间集水池2vi与v
(i+1)
两个集水池之间隧道的涌水量。
51.在抽水管10b的出水端安装流量计7e用以监测中间集水池2输入到出口端集水池的水量，另一端安装水泵9b以将中间集水池2中的水抽到隧道出口集水池3中。
52.在排水管8d的出水端安装流量计7f用以监测隧道出口集水池3的排出水量。
53.当然，可以通过设置监控对安装在集水池内的泵的运行工作参数进行监测。后续根据具体试验要求再增设、更改布点等。
54.可选择地，当然，在本发明中，还提供了抽水装置，也即增压装置，多个所述增压装置设置于多个所述集水池中。这里，在对增压装置进行设计时，可以设计每个集水池内安装数量不等的增压装置。
55.可选择地，多个所述增压装置包括水泵和抽水管，所述水泵与所述抽水管一一对应。抽水管仅对多个集水池起作用，当然，水泵的设置通常在水流上流位置，即在本发明中，为掌子面集水池1流向中间集水池2，再流向隧道出口集水池3的顺序，因此，水泵通常设置在掌子面集水池1和中间集水池2，当然，具体数量不做限定，至少与中间集水池2的数量匹配之后再加一个。当然抽水管也可以设计采用pvc管，管径的大小也是重要的参数。
56.除此之外，完整的试验设备不仅仅能做到模拟抽排水过程，还需要降低能耗，因此，在该试验中增加一个循环池6用来减少水浪费，做到节能高效。所述隧道排水室内试验系统包括循环池6，所述循环池6和多个所述集水池之间也通过所述排水检测装置连接。
57.此外，所述移动升降装置包括液压千斤顶4和轮滑组5，所述轮滑组5用于支撑所述液压千斤顶4。借助该装置可以实现集水池高度和位置的改变，从而改变集水池之间的水头差和距离。模拟不同距离、高差下的排水。具体地，在试验过程中，轮滑组5可以使得对集水池之间的位置改变更为便捷，液压千斤顶4可便于调节集水池的高度，从而在更换隧道抽排水室内试验系统的系统配置时更为方便。
58.本发明还提供一种基于上述的隧道抽排水室内试验系统的试验方法，参考图3所示，所述试验方法包括：
59.s1：搭建所述隧道抽排水室内试验系统，得到当前试验系统中的原始系统配置；
60.这里，系统配置主要包括：输水管径d，输水管面积a，管道坡度i，管道长度l，流速v，流量q，水的重度γ，压强p，水泵扬程h，功率n，水头损失hf。
61.由于试验流动属于压力流动，应采用雷诺相似准则构建模型，
62.即模型的雷诺数与实际的雷诺数re(re＝vd/υ)相等,其中υ为流体的粘度系数，可得：
[0063][0064]
式中λ是实际原型与模型对应物理量的比尺。
[0065]
试验中，首先确定长度比尺λd，管道长度比尺、水泵扬程比尺和水头损失比尺λ
l
＝λh＝λ
hf
＝λd；因采用同种流体(水)，流体密度比尺λ
ρ
＝1，重度比尺λ
γ
＝1，粘度系数比尺λ
υ
＝1，则可推得：
[0066]
速度比尺：
[0067]
流量比尺：
[0068]
压强比尺：
[0069]
功率比尺:
[0070]
s2：根据所述当前试验系统中的原始系统配置，得到当前试验系统中掌子面的涌水量以及所述排水检测装置单位长度的涌水量；
[0071]
s3：根据当前试验系统中掌子面的涌水量以及所述排水检测装置单位长度的涌水量，得到当前的所述隧道抽排水室内试验系统的工况结果，结束检测；
[0072]
s4：更改所述隧道抽排水室内试验系统的系统配置，重复步骤s2-s3，得到多个不同的工况结果，结束检测；
[0073]
s5：对多个工况结果进行分析，得到预设工况范围内的最优隧道抽排水室内试验系统配置信息。
[0074]
可选择地，参考图4所示，所述步骤s4中，更改所述隧道抽排水室内试验系统的系统配置包括：
[0075]
s41：更改多个所述集水池之间的距离，保持原始系统配置中不同所述集水池的高度，得到第一工况结果；
[0076]
s42：更改不同所述集水池的高度，保持原始系统配置中多个所述集水池之间的距离，得到第二工况结果；
[0077]
s43：更改水泵的功率和扬程大小，保持原始系统配置中其他参数不变，得到第三工况结果；
[0078]
s44：更改水流过程中各处水流量的大小，保持原始系统配置中其他参数不变，得到第四工况结果。
[0079]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。